В 1757 году в селе Мелихово был возведён деревянный храм на средства купца Андрея Григорьевича Наумова. 16 марта 1759 года церковь была освящена в честь Рождества Христова. Приход состоял из семи помещичьих и 39 крестьянских дворов. В храме служили священник Василий Васильев и дьячок Николай Антонов.
К 1829 году регулярные богослужения в храме прекратились из-за недостатка средств на содержание причта. В 1834 году храм был отремонтирован местными помещиками Чуфаровскими, после чего богослужения возобновились. Священник из соседнего села Васькино приходил служить по большим праздникам.
В 1857 году был обновлён иконостас, однако к концу XIX века храм вновь пришёл в ветхость: разобрали колокольню, покосился крест, крыша протекала. В 1892 году в Мелихово поселился писатель Антон Павлович Чехов. Он отмечал, что церковь была ветхой и холодной, а причта не имелось. По просьбе крестьян в 1896 году Чехов расширил церковь, обновил два придела и построил колокольню с «зеркальным крестом», видимым за восемь вёрст.
В 1930-е годы постройки, возведённые Чеховым, были разрушены, бревна растащены, сохранилась лишь старая часть храма. В 1966 году храм частично реставрировали под руководством художника Сергея Сергеевича Чехова, внучатого племянника писателя. В 1989 году были проведены дополнительные реставрационные работы под руководством директора музея-заповедника А.П. Чехова Ю.К. Авдеева.
В 1994 году храм был уничтожен пожаром. В 1999 году на старом фундаменте по старым обмерам началось восстановление храма. Новое здание было освящено в 2007 году.
